毕业设计（论文）基于LabView虚拟单道脉冲幅度分析器

毕业设计（论文）题 目：基于LabView虚拟单道脉冲幅度分析器TITLE: The Design of a Single-channel pulse Analyzer Based on LabView二零一零年 六月摘 要本文详细介绍了虚拟仪器技术和先进总线技术，介绍了传统单道脉冲幅度分析器的工作方式和弱点。详细说明了利用虚拟仪器技术，采用NI公司的NI-DAQ USB-6008数据采集卡在LabView软件环境下研究基于虚拟仪器的单道脉冲分析器的全过程。介绍了虚拟单道脉冲幅度分析器的系统结构设计，说明了虚拟单道脉冲幅度分析器的各模块功能及其软件实现方法。 虚拟单道脉冲幅度分析器是用来测量核辐射探测器输出的脉冲幅度分布的仪器，它可以使落入道宽的脉冲产生输出，从而实现了对核脉冲信号的脉冲幅度分析功能。在实时脉冲信号获取处理上，设计了新的脉冲幅度提取方法，实现了对正负双极性脉冲的单参数幅度分析。虚拟单道脉冲幅度分析器充分利用了虚拟仪器良好的的人机界面和强大的信号处理功能，使用灵活、界面友好、成本低、易于扩充和修改等优点.从本质上来说，虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它强调软件就是仪器的概念，使用户能够根据自己的需要定义仪器的功能，更好的组建自己所需的测试系统。关键词:虚拟仪器; 虚拟单道脉冲分析器; LabView;ABSTRACTThe virtual instrument and advanced bus technology,the working model of traditional single-channel pulse analyzer and its weakness introduced by this paper.Particularize the whole process of research and development virtual single-channel analyzer,with NI-DAQ USB-6008 data collection card of NI Company under LabView software development platform based on virtual instrument technology. Also the systemstructure design of virtual single-channel pulse analyzer , and the functions of every modules and its software implementation method are introduced.Virtual single-channel pulse analyzer is a instrument which use to measure pulse extent distrubuting output from nuclear detector,and it can make a output when pulse drop in wide rode ,so it realise analysis function of extent to nuclear pulse signal. When taking order with realtime pulse signal of obtaining, designing a new way to distill pulse extent ,which achieve single parameter extent analysis to positive and negative pulse.Virtual single-channel pulse analyzer fully utilize virtual instrument with user-friendly and powerful signal processing functions, use flexible、friendly interface、cost lowness、easy to extend and modify. In essence, the virtual instrument is a deep-seated product of device technology combined with computer technology ,which emphasize on the concept ofsoftware is the instrumentallow users to define the apparatus function and set up their own required test system better according to their requiement .Keywords: Virtual technology; Virtual single-channel analyzer; LabView目 录绪 论11.1 问题的引入11.2 单道脉冲幅度分析器的发展11.3 虚拟仪器的发展11.4 论文的意义和基本思路2第2章 虚拟仪器技术研究32.1 虚拟仪器概况32.2 虚拟仪器硬件组成52.3 虚拟仪器软件系统介绍92.3.1 虚拟仪器软件系统结构92.3.2 LabWindows/CVI简介102.3.3 图形化编程环境LabVIEW介绍11第3章 单道脉冲幅度分析器133.1 单道脉冲分析器的设计思想13第4章 虚拟单道脉冲分析器系统结构的研究和设计174.1 虚拟单脉冲道分析器及其优点174.2 虚拟单道脉冲幅度分析器的系统流程174.3 系统硬件研究184.3.1 总线的选择和采集卡简介184.3.2 数据采集卡的功能194.3.3 数据采集卡的软件配置204.4 系统软件平台选择204.5 系统软件模块结构设计21第5章 虚拟单道脉冲幅度分析器的实现225.1 单道脉冲幅度分析器的原理图225.2 虚拟单道脉冲幅度分析器的程序框图225.3 虚拟单脉冲幅度分析器的前面板24第6章 虚拟脉冲幅度分析器的调试与波形显示256.1 虚拟单道脉冲幅度分析器的调试256.2 波形显示结果26结论与展望28致 谢29参考文献30东华理工大学毕业设计（论文） 绪论绪 论1.1 问题的引入虚拟仪器技术是计算机技术在仪器领域的应用，改变了传统仪器的应用方式，实现了测量信息远程共享、综合分析、评估等仪器的综合功能。本课题目的在于研究虚拟仪器技术，并在NI-DAQ USB-6008数据采集卡的基础上，设计完成了基于Labview软件平台的高分辨率、功能完善的虚拟单道脉冲幅度分析器，解决核仪器系统的硬件和软件的标准化，从而提高系统的互用性和高可靠性，满足核测试仪器的需要。为此，我们研究开发虚拟实时核测量数据获取系统即虚拟单道脉冲分析器。1.2 单道脉冲幅度分析器的发展早期的单道脉冲幅度分析器的甄别元件是用二极管或三极管，其优点是电路简单，但技术指标低，对脉冲的前沿响应差，测量精度低，特别是低阂非线性大，一般灵敏度只能做到0.3V左右。60年代初，有人用晶体管构成施密特触发器作为甄别元件，使单道脉冲幅度分析器的技术指标有了很大的提高，如灵敏度可达0.1 V ，阈稳定性有所提高，并能适应较高的计数率，但这种电路有较大的滞后特性，往往影响了闲灵敏度。虽然安蒂瓦克等人提出了改进办法，但是没有得到令人满意的结果。随着电子技术的发展，集成电路比较器的出现，给单道脉冲幅度分析器提供了理想的甄别器件。80年代中期，人们采用电压比较器研制出新型的单道脉冲幅度分析器，其技术指标大大提高，电路结构也简化了。近年来，由于核技术应用领域的扩大，一些便携式核仪器仪表相继问世，这就要求简化其电路，降低其功耗。而过去的单道脉冲幅度分析器大多是独立的仪器，电路过于复杂，功耗也较大。如:FH-065型单道脉冲幅度分析器，功耗超过了1 W . Canberra公司制造的2030型单道脉冲幅度分析器功耗超过2w。我们研制的单道脉冲幅度分析器电路简单，功耗较低，就是为了适应新的核技术应用领域的要求而研制的。它整个电路仅用4块集成电路及为数不多的外围元件，静态功耗不大于 300mw，各项技术指标都较好，工作稳定可靠。1.3 虚拟仪器的发展随着计算机、通信、微电子技术的不断的发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断的提高，网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。期一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可以在任何地点、任何时刻获取数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障检测、报警等。与以PC为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟语气是一起发展史上的一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现三大功能（数据获取、数据分析及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的两大功能，以网线相连接，实现信息资源共享。1.4 论文的意义和基本思路论文的意义：在核辐射测量中核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系，通过测量脉冲信号的幅度就可以知道入射线的能量.而在当今虚拟仪器技术已成为测试测量的主流技术，本论文就是在硬件电路板的基础上，利用虚拟仪器代替传统仪器进行测量，这样既可以克服传统仪器测量的不便性又可以在虚拟仪器上得到精确的测量。虚拟论文的基本思路：首先，需有信号的输入，那我自然而然的就想到首先要有信号源，即产生脉冲信号，于是我首先的任务就是要做一个简易的虚拟信号发生器，实现的功能是在计算机上产生各种需要的波形。其次，有了虚拟信号发生器以后，把它产生的信号通过硬件电路板，电路板各点产生的脉冲信号波形必须显示出来，所以我的另一任务就是做一个虚拟的显示波形器件，实现对各点波形的显示。最后，一个比较重要的部分就是数据采集这一块，在虚拟函数发生器和示波器的两个程序框图中一定要加入DAQ助手，否则就难以实现数据采集。29东华理工大学毕业设计（论文） 虚拟仪器技术研究第2章 虚拟仪器技术研究2.1 虚拟仪器概况 虚拟仪器(Virtual Instruments简称VI)技术的发展非常迅速，是目前国内外测试技术界和仪器制造界十分关注的热点话题。它是出现于上世纪90年代初期的一种新型仪器，它将许多以前由硬件完成的信号处理工作，交由计算机软件进行处理，这种测试仪器的硬件功能的软件化，给测试仪器带来了深刻的变化，因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向之一。图2一1虚拟仪器描述虚拟仪器(Virtual Intrument，简称VI)是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪器、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪器、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。图2-2仪器发展过程传统的测量仪器主要功能可由信号采集与控制数据分析和处理结果输出显示等三大部分组成，而且这些功能都是以硬件(或固化的软件)形式存在，只能由仪器生产厂家来定义、制造，用户无法改变。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在测量与仪器上的应用，已完全可以将其中的数据分析处理和结果输出交给基于计算机的软件系统来完成，将信号采集与控制做成插件，每个插件可以插入计算机的总线扩展槽内或专用的仪器插件板、插件箱内，用计算机屏幕形象、方便的模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果，并用计算机软件实现各种各样的信号分析、处理，完成多种多样的测试功能，这样就可构成基于计算机的数字化测量仪器一虚拟仪器(VI)。在这样的虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，完全可使用相同的硬件系统，而通过不同的软件来可以实现功能不同的仪器，通过修改软件的方法，方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器一般由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成。一般而言，虚拟仪器所用的计算机是通用的计算机，虚拟仪器根据其模块化功能硬件的不同，而有多种构成方式:1PC-DAQ测试系统:是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。 2GPIB系统:是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 3VXI系统:是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 4PXI系统:是以PXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 5 串口系统:是以RS232标准串行总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。6现场总线系统:是以FieldBus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。被测对象传感器信号调理数据采集卡RS232/IEEE488接口仪器GPIB总线接口GPIB电缆GPIB接口卡VXI总线VXI电缆VXI接口FiledBus总线仪器软件计算机图2-3 虚拟仪器构成方式无论上述哪种形式的虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成虚拟仪器VI的最常用的最基本的方式，因为一般而言，这种类型的虚拟仪器成本比较低，它能充分利用计算机的计算能力。目前为不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和用途的数据采集板卡，从低速采集板卡到高速同步采集板卡，直至图象采集卡都有成熟的产品，为虚拟仪器系统的建立提供了物质基础。虚拟仪器的突出优点是与计算机技术结合，仪器就是计算机，主机供货渠道多、价格低、维修费用低，并能进行升级换代;虚拟仪器功能由软件确定，不必担心仪器永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，适应实际科研、生产需要;拟仪器的硬件、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。尤其在测量、测试、计量、控制等领域。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积。传统的一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。另外，虚拟仪器能与计算机的文件存储、数据库、网络通讯等功能相结合，具有很大的灵活性和拓展空间。在现代网络化、计算机化的生产、制造环境中，虚拟仪器更能适应现代制造业复杂、多变的应用需求，能更迅速、更经济、更灵活的解决工业生产、新产品实验中的测试问题。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。如图2-4所示:图2-4 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开放性、灵活、可与计算机技术保持同步发展关键是软件，升级方便。封闭性、仪器间相互配合较差、关键是硬件、升级成本较高。价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可以定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护开销高技术更新周期短（1-2年）开发更新周期长(5-10年)2.2 虚拟仪器硬件组成根据仪器的总线及安装方式的不同，虚拟仪器硬件功能模块可分为以下几类: 1.PC-DAQ数据采集卡、信号调理卡 2.基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统 3.VX工总线模块 4.PXI总线模块 5.基于串行口或其它工业标准总线的系统6.FieldBus现场总线模块(1)PC-DAQ数据采集卡、信号调理卡在一般的情况下，利用插在通用计算机插槽内的DAQ(Data Acquisition)卡，配上相应软件组成虚拟测试仪器的方法，目前应用得最为广泛。因为一块DAQ卡配上D/A转换功能后，能满足绝大多数情况的工程测试要求。按计算机的总线和类型，这类插卡可分为ISA, EISA, VESA, PCI, PCMCIA, SBus和Macintosh NuBus几种。一般说来，这类卡具有多通道模拟输入、模拟输出，多通道数字10，时间测量，外触发，DMA传送，程控放大等功能。有的还带有程控滤波，电流输入，电荷放大等功能。其采样频率一般都在40kHz以上。(2)基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统 GPIB通用接口系统是美国惠普公司首先提出的，由美国IEEE及IEC正式颁布的标准文件，为国际上欧美、日本等采用。这套标准接口总线系统也被我国作为标准采用，并正式定为国家标准。现在GPIB的用户己非常多了，若无特殊的说明，现在所说的IEEE488总线实际上就是指GPIB总线。 通过GPIB接口总线，可以把所有具备GPIB总线接口的可编程仪器与计算机紧密地结合起来。在此基础上，工程测试技术的发展又向前迈进了一大步，通过GPIB接口电缆将GPIB总线的测试仪器和计算机系统联接起来，组成虚拟测试仪器系统，使工程测试由独立的手工操作的单台测试仪器向大规模综合自动测试系统的转变成为了现实。 GPIB设备之间的通讯是通过接口系统发送设备选通信号和接口消息(interfacemessage)来进行的。GPIB总线接口有二十四线(IEEE-488标准)和二十五线(IEC-625标准)二种形式，其中以IEEE-488的二十四线GPIB总线接口应用最多，在我国的国家标准中也是确定采用24线的电缆及相应的插头插座。GPIB的组成包括设备、接口和总线三部分。现在高速的GPIB接口电缆(如N I . HS488)的传输速度可达8 M bytels。各GPIB总线测试仪器是通过GPIB接口和GPIB电缆相互联接而成测试仪器系统的。一般而言，各GPIB仪器都能单独使用，但只有当它们配置了接口功能以后才能通过GPIB总线接入基于计算机控制的自动测试系统。GPIB采用堆栈式结构相连。各设备的相连一般有串行联接(如下图(a)所示)星型联接(如下图(b)所示)和混合联接三种方法。在一般的情况下，系统中的GPIB电缆的总长度不应超过20m，过长的传输距离会使信噪比下降，电缆中的电抗性分布参数，也会对信号的波形和传输质量产生不利的影响。图2-5(a) GPIB设备的串行连接 图2-5(b) GPIB设备的并行连接(3)VXI总线模块 VXI是另一种新型的基于板卡式的相对独立的模块化仪器。由于将仪器制成了板卡的形式，因此减少了虚拟测试仪器系统的体积，使用方便，并提高了其性能，与GPIB仪器一样，它需要通过VXI总线的硬件接口才能与计算机相连。 VXIbus系统是一种在世界范围内完全开放的，适用于多供货厂商的模块化仪器总线系统。它集中了智能仪器，PC仪器和GPIB系统的很多特长，利用了计算机总线数据传输快的特点，具有小型、便携、数据传输率高、组建及使用方便，能充分发挥计算机的作用，便于与计算机网和通信网结合等优点。正是由于这些优点，使得这种原先被称为未来仪器或二十一世纪仪器的总线系统，在目前就得到了迅速的发展和推广，成为公认的测试仪器系统的优秀平台。1993年9月成立的VXI即插即用(plug&play)联盟对VXI仪器的机箱和面板、硬件、驱动程控接口、虚拟仪器软件结构，安装磁盘、快速数据通道、TCP/IP-VXI、组建数据库以及VXI plug&play的标识和注册等方面都制定了标准规范，并还将不断有新的标准规范出台。VXIbus仪器组建虚拟测试仪器系统的灵活性很大，既可以构造一个单纯VXI系统，也可以将VXI引入已有的测试系统与其他的GPIB总线仪器和DAQ卡并列使用。(4)PXI总线模块 PXI全名为PCI extensions for Instrumentation，其结合了开放而高效能的PCI总线、CompactPCI强健的结构性能，及VXI系统专为测量所设计的同步、触发信号群。图2-7所示为PXI系统架构。PXI总线方式在PCI总线内核技术基础上增加了成熟的技术规范和要求，增加了多板同步触发总线的技术规范，以便使用于相邻模块的高速通讯总线。PXI规格于1998年正式制定，采用最先进的商业化硬件和软件技术，以及自动化测试系统的概念和技术，能够以较低的成本为用户提供专用自动测试系统的高性能，是目前最新型的坚固的模块化仪器标准平台。PAI定义为用于测试、测量与控制应用，基于PC的一种小型模块化仪器平台。PXI基于 PCI目前最普及的台式计算机高速标准结构，所以它拥有PCI的一些优点:较低的成本，不断提高的性能，能够与所有主流操作系统兼容。MI利用这一点将GPIB和 VXI也集成到PXI系统，拥有了良好的开放性和兼容性。图2-6 PXI系统结构PXI规范是CompactPCI规范的扩展。CompactPCI规范定义了封装坚固的工业版PC总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。PXI在CompactPCI的机械规范上强制增加了环境性能测试与主动冷却装置，以简化系统集成并确保不同厂商产品之间的互用性。PXI规范制定了最佳的产品相容性，绝大多数的测试系统可由PXI测试平台实现。PXI还可提高成本效率和可靠性，以及减少所占的空间，PXI的产品领域愈来愈广，在测试领域中的应用也越来越广泛，是测试仪器系统最新的发展方向。 PXI还具有高度的可扩展性:PXI具有8个扩展槽，通过使用PCI一PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，而台式PCI系统只有4个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。(5)基于串行口或其它工业标准总线的系统将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，可以组成实时监控系统。很多仪器带有RS232串行接口，通过电缆，将仪器的RS232串行接口与计算机的RS232串行接口连接起来，安装好驱动程序，就可以实现仪器与计算机的通讯。将带有RS232总线接口的仪器为I/0接口设备通过RS232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，PC计算机已更多地采用了USB总线和IEEE1394总线。(6)FieldBus现场总线模块 现场总线(Field Bus)仪器，是一种用于恶劣环境条件下的、抗干扰能力很强的一种总线仪器模块。与上述的其它硬件功能模块相类似，在计算机中安装了Field Bus接口卡后，通过Field Bus专用连接电缆，可以实现Field Bus仪器与计算机的通讯。 PXI平台是基于PCI总线的。PCI总线作为开放的工业标准，在测试测量工程上具有不少的优势，目前已经有数以千计的PCI设备，而PCI总线本身也采纳了诸多最新的计算技术，得以不断优化。这对PXI而言意味着可以使用大量的设备元件，从而可以与最常用的操作系统和软件兼容，针对最高速的处理器和总线进行优化，提高数据流量。 一个决定系统流量的关键因素是测量设备与计算机之间的接口总线。尽管系统性能由于处理器速度与系统内存的增加而大幅提高，却依然收到与仪器与外部设备的通信因素限制。GPIB是最常见的仪器总线接口，但其数据传输速率8 M bytels比VXI的40-80Mbyte/s和PCI的132-264Mbytels慢得多。基于VXI的测量系统具有高于GPIB的性能，但用户必须为之付出高昂的代价。相比之下，PCI是为新型处理器设计的，数据传输速率比GPIB和VXI高得多。基于PCI的PXI规范也因此拥有了较高的数据传输速率。 VXI是基于VME总线的，在对仪器进行扩展的同时，它保留了VME模块化系统的方法。与基于GPIB陈旧的堆架式(rank-and-stack)系统相比，VXI成功的缩小了仪器系统的尺寸并提高了系统集成化水平。但是，由于VXI基于过时的VME总线，而现代计算机不支持这种总线结构，所以它不能如PXI那样利用PC技术的优势，从而也不能将主流软件的支持、低成本、高性能等好处带给最终用户。 VXI有1000多种不同的模块，是一种集成大型测试系统的有效技术，主要用于满足高端自动化测试应用的需要，成功应用于军用航空测试和制造业测试的高频道计数。然而，VXI没有形成主流应用，主要因为其成本太高以及难以集成化。 VXI是功能强大的高端平台，它在很大程度上满足了标准化组织1987年提出的目标，继续提供高端解决方案。PXI技术来源于现成的PC技术，其性能提高更快，成本更低。PXI提供了一个工业标准平台，这个平台将在今后不断发展并保持强大的功能。2.3 虚拟仪器软件系统介绍2.3.1 虚拟仪器软件系统结构 构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难构成一台理想的虚拟仪器系统。根据VPP (VXIPlug&Play)系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构应包含3部分，如图2-7所示:应用软件仪器驱动程序I/O接口软件 图2一7虚拟仪器软件系统结构(1)I/O接口软件 I/O接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器单元进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。在VPP系统规范中，详细规范了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为VISA软件。(2)驱动程序 任何一种硬件功能模块，要与计算机进行通讯，都需要在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程序(就如我们在计算机中安装声卡、显示卡和网卡一样)，仪器硬件驱动程序使用户可以通过透明方式操作虚拟仪器的硬件功能模块。这样，用户就不必成为GPIB, VXI, DAQ, PXI, RS232或Field Bus方面的专家，就可以实现对特定仪器硬件的使用、控制与通信。例如对于DAQ硬件，其驱动软件直接编制DAQ硬件的登陆、操作管理和集成系统资源，如处理器中断、DMA和存储器等软件层管理。驱动程序隐含了低级、复杂的硬件编程细节，而提供给用户的是容易理解的界面。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层I/O接口软件的纽带和桥梁。一般来说，驱动程序是由硬件功能模块的生产商提供的。(3)应用软件开发平台 应用软件也需要使用驱动程序控制硬件。应用软件将分析和表述的能力加载驱动程序上，它还可将上千种器件包括GPIB, VXI, DAQ, PXI, RS232, PLC等集成进数据采集系统。“软件即仪器”，应用软件是虚拟仪器的核心，是设计虚拟仪器所必需的软件工具。目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境大致有两类:一类是文本式的编程语言，如C, VisualC+, VB, LabWindows/CVI等,另一类是图形化的编程语言，代表性的有HPVEE, LabVIEW等。图形化的编程语言和文本式编程语言相比，具有编程简单，直观，开发效率高的特点。2.3.2 LabWindows/CVI简介LabWindows/CVI是为C程序员开发的环境。它有着交互的程序开发环境和可用于创建数据采集和仪器控制应用程序的函数库。LabWindows/CVI还包含了数据采集、分析、实现的一系列软件工具。通过交互式的开发环境可以编辑，编译，联接，调试ANSI -C程序。在这种环境中，通过LabWindows/CVI函数库中的函数来写程序。另外，每个库中的函数有一个叫做函数面板的交互式界面，可用来交互的运行函数，也可直接生成调用函数的代码。函数面板的在线帮助有函数本身及其各控件的帮助信息。LabWindows/CVI的威力在于它强大的库函数。这些库几乎包含了所有的数据采集各阶段的函数和仪器控制系统的函数。对数据采集，提供了七个库:Instrumentlibrary，GPIB/GPIB 488.2 library，VISA library，Data Acquisition library，Easy I/0 for DAQ, RS-232 library以及VXI开发环境中用的VXI library。数据分析有三个库:Formatting and I/0 library, Analysis library和可选的Advance Analysis Library。数据实现有User Interface Lirary。网络和通讯处理有四个库:Dynamic Data Exchange (DDE，仅对于Windows)，TCP库,Property库(仅对于Unix)和Activex Automation Library(仅对于Windows 95/NT) LabWindows/CVI还有一种特殊的库，叫仪器库。它包含了GPIB, VXI和RS-232仪器驱动，此类仪器如示波器，函数发生器。每个驱动都配有可修改的源代码。可以用LabWindows/CVI下所有的开发工具来开发自己的仪器驱动。LabWindows/CVI可开发出良好的用户界面文件，User Interface Library可用来控制图形用户界面，提供虚拟仪器面板所需的各种控件，因此它是虚拟仪器强有力的开发工具。 LabWindows/CVI作为一种交互式的C语言编程工具，与ANSI完全兼容，可以直接兼容多种形式的C代码:ANSI一源代码，目标模块，静态库及DLLs。同时LabWindows/CVI还有内建的挂钩函数(Hook)以共享并控制外部程序。在Win95/NT操作系统上，只要DLL的入口函数是ANSI-C形式的，也可以直接调用32位C+的DLLs.2.3.3 图形化编程环境LabVIEW介绍LabVIEW是虚拟仪器开发平台中的佼佼者，具有功能强大、编译速度快、界面友好的优点，同时还可以节省研发时间。LabVIEW是以G编程语言为基础的图形编程开发环境，其图形编程方法与平时所熟悉的流程图式设计方法及思维方式非常相似。现在LabVIEW是工业界同行使用最多软件平台。LabVIEW可以节省开发时间，比起传统编程，至少快4至10倍。当前，在以PC机为基础的测、控软件中，LabVIEW的市场普及率己仅次于C+和C。 LabVIEW采用可视化的编程方式，将复杂的语言编程简化为可视化的数据流编程，以图标表示功能模块，以图标间连线表示数值传输。因此在LabVIEW平台上开发虚拟仪器程序类似于画数据流程图，与思维过程极为相似，且查错和调试都很方便。设计者只需将虚拟仪器所需的显示窗口、按钮、数学运算方法等控件从LabVIEW工具箱内用鼠标拖到面板上，布置好布局，然后在Diag窗口将这些控件、工具所设计的虚拟仪器所需要的逻辑关系，用连线工具将这些控件连接起来即可。LabVIEW继承和发展了结构化和模块化程序设计的概念，使虚拟仪器分层次和模块化。LabVIEW采用G语言编程，由G语言编写的程序称为虚拟仪器VI，由交互式用户接口、数据流框图和图表连接端口组成。这样的VI即可以作为上层独立程序，也可以通过连接端口被其他程序VI调用，成为其他VI的子程序(称为子VI)。每一个这样的子VI都可以单独执行，所以很容易调试。因此，用户可以将一个大型复杂的应用分解为一些列简单的子任务模块，为每一个子任务建立一个VI，让后将这些VI组合在一起完成最终的应用软件。由于每个VI都是一个相对独立的功能模块，可以被任意VI进行调用，所以用户可根据自己的行业需要，开发一系列底层VI实现一些常用功能，形成自己特定的子VI库，减少软件开发中的重复编程工作量。 LabVIEW的查错、调试功能也非常强大。允许设置断点、单步调试、动态显示执行程序流程等。有语法错误，LabVIEW会自动显示。可以在程序的任意位置插入任意多的数据探针，调试检查任意一个中间结果。 随着日益完善的Internet / Intranet技术和虚拟仪器结合，系统化、集成化、网络化测量开始在远程测控领域崭露头角。测量数据在网络上发布和共享是网络化远程测量工程的关键技术之一。对此，LabVIEW提供了丰富的网络化组件，不但支持传统的TCP/IP, UDP, Activix等网络通信技术，还提出了基于工业网络标准TCP/IP的专为测量数据实时传送而设计的DataSocket技术，它能有效支持同一台计算机上，不同应用程序对特定数据的同时应用，以及连接在网络上的不同计算机之间的数据共享。LabVIEW的网络发布工具可以方便的将实验室测试数据在网络上发布，其他用户可通过网络浏览器查询共享实验数据。LabVIEW还提供对各种数据库的支持，包含基于SQL的工具，用于ODBC和ADO数据库的互联。LabVIEW是一个开放的，灵活的开发环境。它提供了大量的函数和VI，实现对外部代码调用、库函数调用、运行外部程序等功能。同时也可以生成可供其他程序调用的LabView动态链接库和共享库。LabVIEW有大量的函数库供用户直接调用。它包括GUI函数、分析函数和 I/O函数。除具备常规函数功能外，LabView还提供丰富实用的数值分析、数字信号处理等功能。同时，它还高度集成了各种GPIB, VXI, PCI, PXI等标准设备及数据采集卡、网络设备的驱动功能，可轻易地与外部设备进行通讯和控制。LabVIEW提供550个以上的VI驱动程序可构造40个以上制造厂家的仪器。目前绝大部分的虚拟仪器硬件都提供基于LabVIEW的驱动程序。因为这些特点，非编程专家的科研人员都可以利用它迅速地建立起高水平的应用程序。 东华理工大学毕业设计（论文） 单道脉冲幅度分析器第3章 单道脉冲幅度分析器3.1 单道脉冲分析器的设计思想(1)脉冲幅度甄别器甄别器是单道脉冲分析器的重要电路，在保证技术指标的前提下电路要尽量简单，因而本电路选用集成电压比较器8BJ1，开环增益高，传输延迟时间短，在其外围加少许元件即可构成性能优良的幅度甄别器。闭调节电路采用电阻分压形式，用高稳定度稳压管产生基准电压，既简化了电路结构，又降低了仪器的功耗。（2）反符合电路 为了尽量减少计数损失，本电路采用新的反符合方法。以双稳态作为记忆元件，下甄别器输出脉冲的前沿开门，后沿输出计数。整个反符合电路只用两块TTL门电路，74LS00。(3)技术指标 1)动态范围 阈值范围:0.05-5v; 道宽范围:0-5V2)线性 闭值:积分线性好于0.3%;道宽:阈值范围内线性好于0.5%3)8h连续工作稳定性 闭值漂移:小于5mv;道宽漂移: 小于5mv4)双脉冲分辨时间:小于0.5us5)输入脉冲要求:正极性。6)输出脉冲幅度:3V;宽度:大于0.3 us;极性:正或负（4）基本工作原理：输入Vi图3-1为单道脉冲幅度分析器的基本原理图，它由阈调节电路、上下甄别器电路和反符合电路构成：上甄别器反符合下甄别器阈值调节Vy+Va输出Vy图3-1 基本原理图图中，Vy为下甄别器的阈值，Vy+Va为上甄别器的阈值，上下阈电平之差Va为单道脉冲幅度分析器的道宽。 所有的输入脉冲Vi按其幅度的大小可分成三类，即:ViVy；VyViVy+Vk。 对于第一种类型脉冲而言，两甄别器均无输出。对于第二种类型脉冲；下甄别器有输出，上甄别器无输出；对于第三种类型脉冲，两个甄别器都有输出。 反符合电路的功能是:只有当输入脉冲幅度属于上述第二种类型时，即“1”有输入脉冲，端“2”无输入脉冲时提供输出脉冲;而在第一、三种类型的输入脉冲时，均无脉冲输出。端“1称为符合输入端，端2称为反符合输入端。这样，在反符合电路后接计数电路时，计数显示值即表示为在一定计数时间内的幅度在一定范围的脉冲数目了。（5）典型电路分析11）甄别阈的调节电路 左图为甄别阈的调节电路，由高稳定度稳压二极管2DW7C提供稳定电压，再由精密电阻R1R4分压，两个精密十圈电位器W1W2,分分别提供上甄别和下甄别阈的电压值。由于R1R4和W1 W2稳定度都很高，并且流过分压电阻的电流值远远大于电压比较器的输入电流，这就是足以使阈电压值稳定，通过实验也证明了这点。 2）甄别器电路 甄别器电路采用8BJ1采用快速电压比较器接成施密特形式作甄别器电路，具有外围元件少分辨率高响应速度快动态范围宽输入阻抗高且其输出级同TTL数字电路相容等许多优点。图 3-2 下甄别器原理图下甄别器电路在单道分析器中的作用十分重要，在设计时予以充分考虑。图3-2为下甄别器电路原理图。输入信号Vi从反相输入端输入，阈电压Vy通过R6加到同相输入端，R5形成正反馈。当输入信号幅度高于Vy时，输出负脉冲。8BJ1的输出逻辑摆幅为3V左右。由于8BJ1的开一环增益可达80dB.为了兼顾触发器的翻转速度和滞后电压，反馈系数F取值为200:1。为了减小输入失调，R7=R6/R5。这样取值后测得回差电压为15mV。这个指标是令人满意的。东华理工大学（论文） 虚拟仪器单道脉冲幅度分析仪系统结构的研究和设计第4章 虚拟单道脉冲分析器系统结构的研究和设计4.1 虚拟单脉冲道分析器及其优点随着微电子技术、计算机技术、软件技术的高度发展及其在测量与仪器上的应用，通用的数据采集卡的模数转换速度越来越快，以CB公司的PCI-DAS4020/12数据采集卡为例，其模数转换速度仅为40纳秒(40 ns )，采样频率高达20MHz。对于核物理实验中产生的尖顶快脉冲信号，可以顺利采到整个尖顶快脉冲波形，其波形形状清楚，尖顶脉冲的顶部都可以采到很多的数据点。因此，我们想到了新的核脉冲能量采集方法:即使用通用的数据采集卡采集整个核脉冲信号的尖顶波形，然后由计算机软件对采集到的波形数据进行寻峰，提取脉冲信号的幅度值，并按照脉冲幅度进行多道计数。其中唯一的问题就是，计算机软件的寻峰及幅度提取运行速度能否跟得上数据采集的速度，而不会产生脉冲数据大量丢失的情况。 随着电脑芯片的飞速发展，台式电脑的运行速度越来越快，目前主流台式P4电脑的CPU运行速度已达到2G每秒，从而使得软件程序的运行处理速度也越来越快，这使得我们的想法成为可能。只要编制的软件程序足够简练合理，运行速度够快，在P4-2G台式电脑上的软件的处理速度就能够跟上采集硬件的数据采集速度，脉冲数据丢失很少。 因此，我们根据虚拟仪器技术特点，采用通用的数据采集卡实现对信号的采集，将数据采集卡直接插入普通台式P4电脑机箱内，在Windows系统下利用软件设计数据获取、处理和分析软件，从而构成整个虚拟单道分析系统。传统的单道分析器是大型核物理实验测量仪器，能够提供多种信号采集、分析处理功能。但是在多数实验中更需要扩展其部分分析功能，以符合实验要求。传统单道分析器的缺点:价格昂贵、软件无法扩充就成了致命的弱点。由于单道分析器的专用性，还很容易造成实验仪器的闲置浪费，造成实验经费的浪费。这时虚拟单道分析器就可以满足用户的需求。采用通用数采卡和普通台式计算机的虚拟多道价格低，其数据获取分析软件可以根据用户的具体需要编制，由于虚拟仪器的开放性，用户可以很自由的对软件功能进行扩充。同时，由于是通用的数据采集卡，只要配上不同的软件，就可以成为其他的虚拟实验仪器，比如虚拟示波器等，从而提高了硬件资源的重复利用率，节约了大量的实验经费。因此，虚拟多道系统充分利用了计算机丰富的软硬件资源，具有资源共享、使用灵活、界面友好、成本低、易于扩充和修改等优点。4.2 虚拟单道脉冲幅度分析器的系统流程虚拟但到脉冲幅度分析器由虚拟函数发生器、采集卡、硬件电路板和虚拟示波器组成。结构图4-1所示。这个虚拟单道脉冲幅度分析器用到数据采集卡的模拟输入和模拟输出两个功能，用模拟输出功能产生所需的激励信号，然后通过硬件电路板加到被测信号上，再用模拟输入通道将激励信号和被测信号输出端的响应信号同时采集到虚拟示波器，经处理后显示在计算机屏幕上。虚拟信号发生器采集卡电路板采集卡虚拟显示器4.3 系统硬件研究硬件主要有工业控制计算机、模拟信号采集部件结构，显示结果设备见图4-1分析信号输入输入部分 存 储 器 运 算 器 显示器输出接口控制器图4-1硬件组成结构框图4.3.1 总线的选择和采集卡简介虚拟仪器的发展领域非常广阔，开发虚拟仪器既要拥有计算机技术，又要拥有信息处理技术。总线技术是虚拟仪器的一个关键问题，USB 近年来，USB（通用串行总线）在计算机外设的连接方面日渐普及。这样的普及性已经蔓延到测试与测量领域，越来越多的仪器生产商在其仪器中增加USB设备控制器功能。 高速USB的最大传输速率为60MB/s，这使其成为颇具吸引力的仪器连接和控制的可选方案（这里的仪器包括分立仪器和数据速率低于1 MS/s的虚拟仪器）。虽然绝大多数便携机、台式机和服务器可能有多个USB端口，但那些端口通常都连接到同一个主机控制器，所以USB的带宽是被这些端口共享的。USB的时延属于中间级别（位于延迟最大的以太网与最小的PCI和PCI Express之间）线缆长度的上限是5米。USB设备的优势在于自动检测， USB设备不同于其它LAN或GPIB技术，当USB设备被接入PC时，PC能够即刻识别并配置该USB设备。在这里研究的所有总线中，USB连接器是鲁棒性最差，安全性最低的。需要外部线缆套将其恰当保存。 USB设备非常适合那些包括便携式测量、便携机或台式机的数据录入和车载数据采集的应用。由于USB在PC上的普及程度，特别是其即插即用的易用性，该总线已经成为一种分立仪器中较为普遍的一种通信方式。因此，我们选用基于USB总线的数据采集卡。确定了总线类型，下一步是确定具体的数据获取板卡。在充分调研的基础上选择了NI公司的NI-DAQ USB-6008数据采集卡：基本特性如下：1）8路模拟输入、2路模拟输出2）10Kss采样数率3) 12位分辨率4）1个32位计数器5）12路数字IO 6）支持USB 2.0，无需外部电源具有基本的数据采集功能，应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验，每个USB数据采集模块均包含一份NI LABVIEW Signal Express LE的副本，无需编程即可快速采集、分析并显示数据，还可用于Windows、Mac OSX、linux和Pocket PC的驱动软件。图4-2 NI-DAQ USB-60084.3.2 数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字IO、计数器计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持器及AD来实现。通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。AD的性能和参数直接影响着模拟输入质量，根据实际需要的精度来选择合适的AD。模拟输出通常是为采集系统提供激励源。输出信号手模数转换器DA的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短转换率高的DA可以提供一个叫高频率信号。如果用DA的输出信号驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的DA，因为加热器本身就不能很快的跟踪电压变化，应该根据实际的需哎哟选择DA的参数指标。数字IO通常用来控制过程、产生产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接受（发送）率 、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字IO常见的应用在计算机和外设加打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应根据具体的应用场合而有合适参数的数字IO。许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、技术信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作。计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准，输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分别率和时钟频率，高分辨率意味着可以计更多的数，时钟频率决定了技术的快慢，频率越高，计数速度就越快。NI公司的数据采集卡可以使用内部时钟来设置扫描速率和通道道间的时间间隔。多数数据采集卡根据通道时钟按顺序扫描不同的通道，控制一次扫描过程中相邻通道间的时间间隔，而用扫描时钟来控制两次扫描过程的间隔。通道时钟要比扫描时钟快，通道时钟速率越快，在每次扫描过程中相邻通道间的时间间隔就越小。对于具有扫描时钟和通道时钟的数据采集卡，可以通过把扫描速率设为0，使用AI Congfig VI的interchannel delay 端口来设置循环采样数率。Labview默认的是scan clock，换句话来说，当选择好扫描速率时，Labview自动选择尽可能快的通道时钟速率，大多数情况下，这是一种比较好的选择。4.3.3 数据采集卡的软件配置一般来说，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集